UCLA陳俊教授: 用于醫療保健和可持續發展的智能織物

材料人編輯小單 1年前 (2022-07-24) 1642瀏覽

織物歷史悠久，隨著人類文明的誕生而出現。“征人戰苦束刀瘡”，織物是對刀痕箭瘢的呵護；“云想衣裳花想容，春風拂檻露華濃”，織物是對眉目如畫的點綴；“豈曰無衣？與子同袍”，織物亦是推己及人的大愛。因此，織物是人類文明的重要產物，其發展對人類文明的進程產生了超乎想象的影響。織物的生產途徑廣泛，可以跟許多材料組合在一起形成質感各異的衣物，加工紡織品的原材料可以是天然材料, 比如蠶絲、羊毛和棉花等，還可以是各類化學合成材料，如肽、聚酰胺和聚酯等。近年來，由柔性電子和通信技術進步帶來的物聯網技術快速發展，與生物醫學設備有機融合的智能紡織品將會在人們日常生活和醫療救治方面扮演更加重要的角色。

首先, 用于醫療保健的智能紡織品能夠為（1）開發先進的護理點（2）進行個性化診斷及治療等干預措施提供有力的方法，這兩者都包括了基于物理和化學的解決方案。將智能織物發展成可穿戴醫療器件，不僅可以使得個性化醫療平臺獲得與傳統織物材料相類似的生物相容，生物可降解，甚至生物可吸收等特性，還可以使其具有紡織品的優良的穿戴舒適度。將診斷、治療和保護功能融入人們的日常紡織品中是發展個性化醫療保健的一個關鍵而有力的方法[1, 2]。目前開發的智能紡織品可以通過持續監測為有關患者提供重要生理信息，以及通過高度網絡集成將數據快速傳遞到臨床實踐。在這一過程中，用于醫療保健的智能紡織品的大規模擴展具有微型和低功耗消耗的特點，最終可以重新定義以疾病為導向的行業，并將其轉變為更具預測性、預防性和參與性的行業。穿著舒適的智能紡織品將在物聯網時代發揮遠程醫療的關鍵作用，將會征服未來的醫療領域。

其次, 智能紡織品可以促進人類社會的可持續發展。能源危機和全球變暖嚴重限制了人類文明可持續發展的能力，增加可再生能源和減少能源消耗是實現可持續性的基本步驟。智能紡織品除了在醫療保健方面具有巨大潛力外，它們還可以通過能量收集和節能來促進人類可持續發展戰略的實施。一方面，智能紡織品作為與人類日常活動接觸最為緊密的載體，可以搭載各類柔性能量轉換裝置實現對人體或外界產生的冗余物理和化學能量的收集與儲存，并為其他電子設備供電，為人類提供可持續的生活方式。通過產生自己的電力供應并保留現有能源，智能紡織品不僅能為醫療保健行業的面向個性化和智能化的發展做出巨大的積極貢獻，而且通過回收可再生能源為可持續發展戰略提供了一種綠色環保的解決方案，并最終實現減輕人類對化石燃料的依賴性。另一方面，基于材料科學、納米科學和納米技術創新的智能紡織品現在以更加個性化和節能的方式在人體體溫調節中發揮著重要作用。溫度調節紡織品能夠通過提高建筑能源效率來節省大量的供暖和制冷能源，從而為可持續能源的未來做出貢獻。

一方面可以進行周邊環境的能量采集。我們可以使用紡織品從人體及其周圍環境獲取能量以進行系統監測。這些紡織品能夠將生物力學運動、體熱和體液以及太陽能轉化為電能，這些電能可以作為人體生物電子的可持續電源[3]。人類對移動電子設備需求的增加大大增加了如電池和超級電容器的產能。然而，大多數電池系統對人體和環境均具有較高的安全風險，其有限的使用壽命和較高的回收難度是當前面臨的重要挑戰，而且較大的體積使其不適合長時間佩戴而嚴重降低了用戶使用的舒適性。近年來，研究的重點是開發紡織能量收集和存儲機制，并將其整合到服裝中，為第三方醫療診斷和治療設備提供動力。由于人體從頭到腳接觸紡織服裝的范圍很廣，因此提供一個全身體傳感器/治療網絡系統是一個具有重要實用價值的研究方向。隨著對人體健康的持續和實時感知的需求，以及當前許多醫療設備需要外部電源，智能紡織品可以在為第三方生物傳感器提供外部能量方面發揮作用。并且當前較為成熟的工業編織技術提供了大規模制造的可能性。

另外一方面, 能量收集帶來了節能解決方案。 用于個性化體溫調節的智能紡織品還可以通過節能來促進可持續性[4]。體溫調節是身體穩定人體內部溫度的一種穩態機制。 過去為人類實現熱生理舒適的技術是基于整個建筑物中成本高昂的空間加熱和冷卻系統。 專注于個人熱生理舒適度，紡織品已被用于以更加個性化和節能的范式促進體溫調節。這可以促進以更加個性化和節能的范式進行個人體溫調節。這個新興的智能保暖紡織品領域不僅有助于保持個性化的熱生理舒適性，而且還推動了更可持續的身體加熱和冷卻替代方案。

最后, 智能紡織品對醫療保健和可持續性的影響需要大量的學術領域內的努力和行業標準方面的考慮，這有助于該領域用于未來基于 5G 網絡的滲透和物聯網的普及。由于其廣泛的體表面積覆蓋范圍，各種形式的智能紡織品正成為未來個性化醫療保健的重要組成部分，從人體區域網絡的角度來看，智能紡織品具有實時診斷和治療的重要屬性。此外，利用體熱、生物機械能、太陽能在各種能量收集和保護平臺中的前沿采用也有助于提高可持續性。

盡管如此，當前智能紡織品的發展主要限于實驗室規模的制造，僅有少量實現工業規模生產。為了其未來的市場化做好準備，與傳統電子產品相比，紡織品需要更高的輸出性能，并且需要實現工廠化的大規模生產。因此，在此對該領域的未來發展進行展望，我們應該進行材料創新和效率提升方面的學術研究，工業方面則需要解決大規模制造和有關安全和許可標準化指南的問題。

作者簡介:

陳俊博士現任加州大學洛杉磯分校生物工程系助理教授，并創建了可穿戴生物電子實驗室，致力于以納米技術和生物電子為基礎的，以智能織物、可穿戴器件和人體局域網為形式的，在能源、傳感、環境和醫療領域內的前沿應用研究。已經出版書籍2冊，論文240多篇，其中以通信作者在Chemical Reviews (2), Chemical Society Reviews (2), Nature Materials, Nature Electronics (3), Nature Communications (2), Science Advances, Joule (3)，Matter (8)，Advanced Materials (10) 等刊物發表論文140余篇。其作品七次入選Nature和Science雜志研究熱點，并被 NPR、ABC、NBC、路透社、CNN、《華爾街日報》、《科學美國人》、《新聞周刊》等世界主流媒體共計 1200 余次。他目前的H指數為85，連續2019，2020, 2021年入選Web of Science 全球高被引學者。陳俊博士現任Biosensors and Bioelectronics 雜志的副主編，也是Matter, Cell Reports Physical Science, The Innovation, Nano-Micro Letters, Materials Today Energy, Biomedical Technology等國際期刊的編委會成員。UCLA課題組主頁: https://www.junchenlab.com/

參考文獻:

 

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